五年內(nèi)，世界第一臺實用型量子計算機(jī)將誕生

　　相信很多人已經(jīng)不會對這樣的新聞感到陌生：“量子計算機(jī)即將發(fā)現(xiàn)大量新藥，以治愈頑疾!”“量子計算機(jī)將深入分析全球范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，從而找到克服貧困與不平等等問題的方案!”

　　這些結(jié)論到底靠不靠譜?很難講。我們實際上無法確定真正的量子計算機(jī)會以怎樣的面貌出現(xiàn)——不過這也并不影響我們的興奮之情。

　　我們甚至可以說，量子計算機(jī)本身也處于量子態(tài)當(dāng)中——其正在徹底改變世界，但正是也仍然是個遙遠(yuǎn)的夢想。

　　不過現(xiàn)在，美國國家科學(xué)基金會計劃將量子計算機(jī)從理想轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實——即在研究實驗室中加以實現(xiàn)。而且，該基金會愿意為此投入大量資源。

　　今年8月，科學(xué)基金會公布了量子協(xié)調(diào)計算的軟件定制架構(gòu)(Software-Tailored Architecture for Quantum co-design，簡稱STAQ)項目。物理學(xué)家、工程師、計算機(jī)科學(xué)家以及其他眾多研究人員將齊聚一堂，共同在五年時間內(nèi)投入1500萬美元開展這項研究工作。

　　其目標(biāo)在于從零開始打造出世界上第一臺實用型量子計算機(jī)——且要求不只是概念驗證方案，而是真正用于經(jīng)典計算機(jī)的新一代計算機(jī)設(shè)計成果。

　　這里先介紹一點背景：經(jīng)典計算機(jī)與量子計算機(jī)之間存在著一些顯著差異。相較于經(jīng)典計算機(jī)中使用的要么為0、要么為1的二進(jìn)制比特位狀態(tài)，量子位(qubit)可以同時既為0、又為1。利用這些量子位進(jìn)行信息傳輸或者進(jìn)行計算的量子電路，被稱為量子邏輯門; 正如經(jīng)典電路控制型計算機(jī)電路中的電流一樣，這些邏輯門將通過光子或者所捕獲的離子控制各個量子位。

　　為了開發(fā)真正具備實用性的量子計算機(jī)，科學(xué)家們需要弄清楚如何改進(jìn)我們用于構(gòu)建物理設(shè)備的硬件，以及運行于其上的軟件。更具體地講，這意味著需要弄清楚如何能夠容納大量易于出錯的量子位的系統(tǒng)，并確定如何在面對大量噪聲干擾時對查詢指令做出正確的響應(yīng)。其中一項重要手段，可能在于構(gòu)建自動化工具，以優(yōu)化某些算法與特定硬件之間的映射方式，從而一舉解決這兩大難題。

　　為了更好地理解這個項目可能帶來的成果，我們采訪了負(fù)責(zé)STAQ項目的杜克大學(xué)工程師Kenneth Brown。另外，我們還提供相關(guān)超鏈接以補(bǔ)充Brown給出的答案。

　　記者：我們聽到不少關(guān)于量子計算的表述，但大多非常抽象且偏于理論——很多研究都有望將量子計算機(jī)變成現(xiàn)實，但卻沒有提到如何具體實現(xiàn)這一目標(biāo)。您的團(tuán)隊能夠做些什么來克服這道其他人無法逾越的鴻溝?

　　Kenneth Brown(以下簡稱KB)： 我認(rèn)為最重要的一點，是強(qiáng)調(diào)量子計算機(jī)可以用各種材料制造而成。在這方面，我通常會將其與經(jīng)典計算機(jī)進(jìn)行類比。第一代經(jīng)典計算機(jī)只有齒輪，因為這幾乎已經(jīng)代表著當(dāng)時我們擁有的最先進(jìn)的技術(shù);此后經(jīng)典計算機(jī)經(jīng)歷了真空管階段，性能有了極大的飛躍;接下來，第一個硅晶體管開始出現(xiàn)。但大家一定要記住，最初的晶體管根本無法與真空管相匹敵。有時候，我認(rèn)為當(dāng)時的人們甚至沒有意識到晶體管是如此重要的一項發(fā)現(xiàn)。

　　量子計算同樣需要經(jīng)歷這樣的過程。目前有多種方法可以表示量子信息，當(dāng)下已經(jīng)證明最具實用性的兩種技術(shù)，分別是超導(dǎo)量子位與捕獲離子量子位。二者有所不同，也各有優(yōu)缺點，但在我們的小組中，我們一直專注于捕獲離子量子位的研究。

　　對于捕獲離子量子位，有趣的一點在于在數(shù)十個離子的小范圍之內(nèi)，所有量子位都是直接對接的。這與固態(tài)系統(tǒng)中的超導(dǎo)機(jī)制完全不同。在超導(dǎo)機(jī)制中，我們必須與附近的量子位進(jìn)行通信。因此，我認(rèn)為我們已經(jīng)有能力建立起非常具體的計劃，用以實現(xiàn)32量子位。這一點相當(dāng)明確。我們希望進(jìn)一步將其擴(kuò)展至64量子位左右，當(dāng)然這還需要一些新的研究作為支持。

　　記者： 與研究量子計算機(jī)的其他各方相比，您的計算機(jī)設(shè)計方案為何能夠?qū)崿F(xiàn)“實用性”?

　　KB： 我認(rèn)為目前技術(shù)行業(yè)已經(jīng)在努力構(gòu)建這些實用型設(shè)備。其中真正的區(qū)別體現(xiàn)在學(xué)術(shù)方面，我認(rèn)為我們的思路將做出更多探索，旨在制造出一臺實體設(shè)備，供人們進(jìn)行架構(gòu)測試以及應(yīng)該在哪些具體應(yīng)用上采取截然不同的實現(xiàn)思路。

　　這里僅舉一例，IBM公司已經(jīng)擁有自己的量子設(shè)備(去年底，IBM研制出50量子位的量子計算機(jī))。我實際上通過其它項目與IBM方面進(jìn)行了合作，我認(rèn)為他們也抱有非常開放的心態(tài)。但就目前來講，這臺量子設(shè)備的交互方式仍然處于一定的抽象層級(人們可以對這臺量子計算機(jī)進(jìn)行在線查詢，但無法變更其編程方式)。換言之，大家無法對其編程方式進(jìn)行優(yōu)化。這里就存在一定的妥協(xié)：他們的計算機(jī)完全能夠通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)訪問，但為了實現(xiàn)穩(wěn)定性，他們必須關(guān)閉一些功能。(IBM的量子計算機(jī)目前以隔離方式運行并計劃供更多研究人員使用，因此用戶無法針對任何特定任務(wù)對其進(jìn)行調(diào)整。)

　　因此，我們的目標(biāo)是讓設(shè)備達(dá)到同樣的實用性水平，但同時又允許研究人員使用全部功能。

　　記者：量子計算將給普通人的生活帶來怎樣的影響?

　　KB： 我認(rèn)為從長遠(yuǎn)角度來講，量子計算與通信將改變我們處理互聯(lián)網(wǎng)上編碼信息的方式。事實上，在谷歌Chrome瀏覽器當(dāng)中，用戶已經(jīng)可以將加密方式切換為后量子時代下的加密設(shè)置。

　　第二點，我認(rèn)為人們還沒有考慮到分子構(gòu)成對材料造成的全部影響——從日常用品到特定新藥都可能涵蓋于其中。因此，如果量子計算機(jī)能夠以高效且準(zhǔn)確的方式計算這些分子特性，我們無疑期待看到這一切將給未來的材料科學(xué)與藥學(xué)帶來怎樣的顛覆。

　　但關(guān)于家用計算機(jī)的使用方式，我想大多數(shù)人仍然是借此觀看網(wǎng)飛劇集或者偶爾發(fā)送一封電子郵件之類，在這方面量子計算機(jī)的出現(xiàn)其實并不會造成太大的影響。

　　所以這個問題就很有趣——我不知道量子計算機(jī)的真正用戶群體在哪里。當(dāng)初經(jīng)典計算機(jī)真正問世后，人們也曾抱有同樣的印象。他們可能認(rèn)為這些計算機(jī)只適用于負(fù)責(zé)實驗室工作的科學(xué)家。但實際情況并非如此，所以對于量子計算機(jī)的實際用途，我也抱有開放性的心態(tài)。

　　記者： 什么樣的人可以使用量子計算機(jī)?您打算如何培訓(xùn)用戶來使用量子計算機(jī)，未來的量子計算又會發(fā)展到怎樣的水平?

　　KB： 在我向他人解釋量子計算時，如果對方擁有量子力學(xué)的物理或者化學(xué)相關(guān)知識，那么我通常會以此為起點將其解釋計算原理。從另一個角度來談也可以：如果對方非常了解計算，我也可以以此為基礎(chǔ)解釋量子計算所帶來的額外能力。

　　未來，我們可能面對來自這兩類學(xué)科的培訓(xùn)對象。我們需要具備物理科學(xué)背景的成員才能在計算機(jī)科學(xué)方面加快進(jìn)度，反之亦然。

　　至于具體舉措，我們打算建立量子時期培訓(xùn)班，基本思路是引入業(yè)內(nèi)人士，包括優(yōu)秀的微波工程師或者軟件工程師，嘗試為他們提供充足的工具以幫助其思考如何適應(yīng)量子計算帶來的額外規(guī)則。

　　記者： 您需要完成哪些新研究，才能構(gòu)建起這臺設(shè)備?具體需要進(jìn)行哪些工作?

　　KB： 我們已經(jīng)有了一些想法。在經(jīng)典計算機(jī)中，我們使用的是電壓; 但在量子計算中，我們需要以某種方式將信息從一個位置傳送到另一個位置。負(fù)責(zé)將信息傳遞至計算機(jī)其它部分的信使量子位必須與構(gòu)成計算機(jī)其余部分的量子位屬于相同類型嗎?關(guān)于這一點，我們還不確定。

　　在考慮對復(fù)雜量子計算機(jī)進(jìn)行規(guī)模擴(kuò)展方面，目前通行的方法被稱為CCD架構(gòu)(http：//iontrap.umd.edu/wp-content/uploads/2012/12/Architecture-for-a-large-scale-ion-trap-quantum-computer.pdf)。其基本思路在于建立起能夠由某一點穿梭至另一點的可控離子鏈。這是其中的一種可能性。

　　目前的一些理論研究工作，主要關(guān)注是否能夠在離子鏈之間實現(xiàn)光子互連。各類超級計算機(jī)都在考慮利用光子充當(dāng)這些信使量子位。通過這種方式，我們基本上相當(dāng)于建立起一大堆由光子連接起來的小型量子計算機(jī)，而連接而成的體系則可作為一臺規(guī)模更大的計算機(jī)。

　　但這樣的目標(biāo)恐怕更為遙遠(yuǎn)。我認(rèn)為在未來五年之內(nèi)，我們需要解決最重要的傳輸帶寬挑戰(zhàn)。如果能夠成功，那么這將是一項了不起的成就，并真正打開通往新時代的大門。

　　記者：一路走來，您是如何判斷研究工作是否取得切實進(jìn)展的?您是否建立起相關(guān)的判斷基準(zhǔn)?您如何測試以確定現(xiàn)有成果能夠正常工作?

　　KB： 在硬件方面，我們可以增加量子位數(shù)量并建立起更完善的邏輯門(大家應(yīng)該還記得，邏輯門就是負(fù)責(zé)移動離子或者光子以傳遞信息的東西)，這就是所謂切實的進(jìn)展。我們有一種感覺，即使數(shù)字不斷上漲，我們也至少需要突破50量子位這一難關(guān)才算真正有所成就。(截至今年3月，谷歌公司一直保持著72量子位系統(tǒng)的世界紀(jì)錄。)

　　與此同時，我們還將采用我們所知道的算法與應(yīng)用程序，并將其映射到新的硬件之上。我們將嘗試優(yōu)化算法，并以不易受噪聲影響的方式實現(xiàn)應(yīng)用程序整體映射。

　　在運行這些應(yīng)用程序之前，我們需要建立起一整套關(guān)于其在測試及一般性應(yīng)用中失敗頻率的經(jīng)驗法則。但在我們的團(tuán)隊對軟件進(jìn)行優(yōu)化之后，其失敗頻率應(yīng)該會低得多。這將有助于我們在算法領(lǐng)域進(jìn)行更多探索，因為這將使我們有信心將量子計算機(jī)的復(fù)雜程度提升至新的高度。我認(rèn)為最重要的是確保擁有充足的探索空間，審視人們目前還沒有考慮到的問題。

　　記者：你遇到過的，關(guān)于量子計算機(jī)最糟糕的誤解是什么?人們對量子計算機(jī)存在哪些常見的錯誤看法?

　　KB： 其中最大的誤區(qū)在于，人們會將量子計算視為一種魔術(shù)。實際上，量子計算機(jī)并不是什么魔術(shù)，它也解決不了所有問題。

　　實際情況是，在經(jīng)典計算中，我們會發(fā)現(xiàn)一些易于解決的問題，也會遭遇一些很難解決的問題。這意味著我們無法在多項式時間(一條計算機(jī)術(shù)語，用于表達(dá)計算機(jī)能夠快速完成任務(wù))內(nèi)將其解決。

　　事實證明，我們耗費了大量計算能力來解決在多項式時間內(nèi)無法解決的問題，但最終仍然只能獲得近似值結(jié)果。

　　量子計算機(jī)允許我們解決一些在經(jīng)典計算機(jī)上難以處理的問題，但卻無法解決所有這類問題。一般來講，最讓我無法接觸的是很多量子計算文章中提到其能夠馬上解決所有問題，因為量子計算機(jī)能夠同時進(jìn)行無限的并行計算。

　　如果量子計算機(jī)能夠研制成功，那么我無疑會對此感到非常興奮。有那么一類問題，最著名的就是旅行商問題——我們知道無法處理所有可能的銷售人員工作路線，但卻又必須找到最優(yōu)的解法。經(jīng)典計算機(jī)竭盡所能仍然無法達(dá)成目標(biāo)，而給出的結(jié)果可能還是無法令人滿意。沒關(guān)系，人們會想，“好吧，計算機(jī)有時候也會犯錯?！?/p>

　　而一旦擁有了大型量子計算機(jī)，我們可以更準(zhǔn)確地測試這類算法。同樣的，我希望人們也能夠在解決眾多經(jīng)典問題的同時，意識到這種新型計算機(jī)偶爾也會犯錯。

　　我是個很樂觀的人。我想，正是這種天性讓我選擇了這樣一個充滿不確定性的研究領(lǐng)域。